飞机结构与系统(第三章飞机翼面结构).ppt

第三章飞机翼面结构 本章内容一些力学基本概念机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点翼面结构典型构件及受力特点翼面典型结构型式及受力分析后掠机翼与三角机翼飞机的气动弹性 一些力学基本概念 理论力学 研究刚体 研究力和运动的关系 材料力学 研究变形体 研究力与变形的关系 构件 工程结构或机械的各组成部分 可分为杆 板 壳 体 对构件的三项基本要求 强度 构件抵抗破坏的能力 刚度 构件抵抗变形的能力 稳定性 构件保持其原有平衡状态的能力 一些力学基本概念 材料力学中对变形固体的三个基本假设 1 连续性假设 认为整个物体所占空间内毫无空隙地充满物质 2 均匀性假设 人为物体的任何部分 任何方向上力学性能相同 均匀分布 3 小变形假设 构件受力变形与自身尺寸相比很小 可以忽略 一些力学基本概念 外力及其分类 外力是外部物体对构件的作用力 包括外加载荷和约束反力 按外力的作用方式分为 表面力和体积力 表面力 作用于物体表面的力 又可分为分布力和集中力体积力 连续分布于物体内部各点上的力 如物体的重力和惯性力 一些力学基本概念 按外力是否随时间变化分为 静载荷和动载荷 静载荷 载荷缓慢地由零增加到某一定值后 就保持不变或变动很不显著 称为静载荷 动载荷 载荷随时间变化 可分为交变载荷和冲击载荷 一些力学基本概念 内力 截面法和应力的概念1 内力 由于变形引起的物体内部的附加力 物体受外力作用后 由于变形 其内部各点均会发生相对位移 因而产生相互作用力 一些力学基本概念 内力 截面法和应力的概念2 截面法 为求出内力 采用截面法 变形体内力的特征 1 连续分布力系 2 与外力组成平衡力系 一些力学基本概念 内力 截面法和应力的概念2 截面法 内力的主矢和主矩 一些力学基本概念 内力 截面法和应力的概念2 截面法 内力的分量 N 轴力T 扭矩Qy Qz 剪力My Mz 弯矩 一些力学基本概念 内力 截面法和应力的概念2 截面法 主要步骤 1 沿截面假想地截开截开 留下一部分作为研究对象 弃去另一部分 一些力学基本概念 内力 截面法和应力的概念2 截面法 主要步骤 2 用作用于截面上的内力代替代替弃去部分对留下部分的作用 3 对留下部分 列平衡平衡方程求出内力 一些力学基本概念 内力 截面法和应力的概念3 应力 为了表示内力在一点处的强度 引入内力集度 即应力的概念 一些力学基本概念 杆件基本变形形式1 拉伸或压缩 一些力学基本概念 杆件基本变形形式2 剪切 一些力学基本概念 杆件基本变形形式3 扭转 一些力学基本概念 杆件基本变形形式4 弯曲 若同时发生几种基本变形 则称为组合变形 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 1 机翼的功用1 主要功用是产生升力 保证飞机的飞行性能和机动性能 布置副翼 扰流片等进行横向操纵 布置襟翼 缝翼增升装置改善飞机起降性能 2 安装其它部件 如起落架 发动机等 装载燃油等 一 机翼的功用与结构设计要求 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 1 机翼的功用机翼的结构重量占全机结构重量的30 50 占全机质量的8 15 机翼产生的阻力是全机阻力的30 50 一 机翼的功用与结构设计要求 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 一 机翼的功用与结构设计要求 现代旅客机的机翼1 翼梁 2 桁条 3 襟翼 4 扰流片 5 副翼 6 蒙皮 7 前缘缝翼 8 挂架 9 翼肋 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 一 机翼的功用与结构设计要求 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 一 机翼的功用与结构设计要求 2 机翼结构设计要求 1 满足飞机结构设计基本要求 2 由于各结构部件功用不同 故设计要求的侧重点有所不同 主要功用是产生升力 气动性要求是首要的 机翼保证产生足够升力 还要求阻力尽量小 最小重量要求是主要要求 解决好强度 刚度 最小重量之间的矛盾 速度提高 矛盾突出 使用 维修要求 保证燃油系统的可靠性 工艺性和经济性要求 与一般飞机结构相同 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 二 尾翼的功用与结构设计要求 1 尾翼的主要功用 一般由水平尾翼 平尾 和垂直尾翼 垂尾 组成 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 二 尾翼的功用与结构设计要求 1 尾翼的主要功用 1 平尾保证飞机的纵向 俯仰 稳定性 并实施飞机纵向的操纵 2 垂尾保证飞机航向稳定性 并实施对飞机航向的操纵 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 二 尾翼的功用与结构设计要求 1 尾翼的主要功用 尾翼也是一个升力面 设计要求和构造与机翼类似 保证气动性 具有足够强度 刚度 损伤容限 寿命 最小重量 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 三 机翼的外载特点 1 外载类型 1 空气动力载荷 2 其他部件 装载传来的载荷 如 起落架 发动机 油箱等 集中载荷 分布载荷 3 机翼结构的质量力 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 三 机翼的外载特点 2 机翼总体受力 1 两种简化形式 将每半个机翼看作支持在机身上的悬臂梁 看作支持在机身上的双支点外伸梁 2 与一般工程梁相比的特殊性 机翼高度 厚度 小 但其弦向尺寸 相对于梁宽 大多与翼展有相同量级 尤其如三角翼 机翼在机身上的固定形式复杂 应考虑结构支承的弹性效应 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 三 机翼的外载特点 3 机翼总体内力 剪力Q Qn Qh 弯矩M Mn Mh 扭矩Mt 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 三 机翼的外载特点 3 机翼总体内力 由于阻力相对升力很小 其引起的剪力 弯矩常常可以忽略 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 三 机翼的外载特点 4 机翼的扭矩 翼剖面的三个特征点 刚心 压心 质心 刚心 翼剖面上使结构不产生扭转变形的外力与翼弦的交点 当剪力作用于该点时 机翼只弯不扭 或机翼受扭时 将绕其旋转 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 三 机翼的外载特点 4 机翼的扭矩 压心 压力中心 翼剖面上气动载荷的合力与翼弦的交点 也称焦点 q气动大小同该处翼弦长成正比 沿展向近似线性分布作用在压力中心线上 方向近似垂直翼弦 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 三 机翼的外载特点 4 机翼的扭矩 质心 机翼结构质量力与翼弦的交点 亚音速飞行时 通常压心在弦长28 处 刚心在弦长38 40 处 质心在弦长42 45 处 扭矩产生原因 三心 压心 刚心 质心 不重合 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 三 机翼的外载特点 机翼在外载荷下的变形 机翼与外载荷相平衡的内力 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 三 机翼的外载特点 3 内力分布及结构特点 分布力作用下 从翼尖到翼根 内力逐渐增大 机翼外形逐渐变宽变厚 内部构件增强2 集中力作用下 剪力图 扭矩图发生突变 弯矩图转折 该处应加强3 卸载作用 装载可减小翼根最大内力 剪力 弯矩 扭矩 部件在刚心前 机翼的内力图 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 四 尾翼的外载特点 安定面的受力情况与机翼类似 安定面 气动力 质量力 舵面悬挂接头传来的集中力 舵面 气动力 质量力 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 四 尾翼的外载特点 尾翼上的气动力外载 1 平衡载荷 保证飞机纵向气动力矩平衡的平尾上的载荷 此时水平安定面上的载荷往往与升降舵的载荷方向相反 平尾受到较大扭矩 2 机动载荷 在不平静气流或机动飞行时偏转升降舵或方向舵产生的载荷 是尾翼的主要受力情况 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 四 尾翼的外载特点 尾翼上的气动力外载 3 不对称载荷 平尾 侧滑或横滚引起 载荷本身比机动载荷小的多 但引起的力矩较大 垂尾 除和平尾相同的横滚影响外 多发飞机不对称的发动机推力也会引起垂尾上的载荷 机翼 尾翼功用 设计要求及外载特点 四 尾翼的外载特点 尾翼上的气动力外载 3 不对称载荷 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 机翼结构 蒙皮纵向骨架 翼梁 缘条 腹板 纵墙桁条横向骨架 翼肋 普通肋 加强肋 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 机翼结构 蒙皮纵向骨架 翼梁 缘条 腹板 纵墙桁条横向骨架 翼肋 普通肋 加强肋 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 机翼结构 蒙皮纵向骨架 翼梁 缘条 腹板 纵墙桁条横向骨架 翼肋 普通肋 加强肋 机翼典型结构构件剖面 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 歼六飞机机翼结构 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 歼七飞机机翼结构 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 1 蒙皮直接功用 形成流线型机翼外表面 承载 垂直其表面的局部气动载荷 参与机翼总体受力 较厚蒙皮与长桁一起组成壁板 承受机翼弯矩引起的轴力 金属蒙皮 整体蒙皮 整体壁板 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 1 蒙皮金属蒙皮 硬铝或超硬铝合金 钛合金 M 2 5 不锈钢 M 3 等 夹层蒙皮 1 上下面板 中间疏松性结构芯层 泡沫塑料 轻木等 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 夹层蒙皮 2 上下面板 中间蜂窝芯层 铝 钢 木 3 上下面板 中间波纹板芯层 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 壁板 加筋板 1 薄板式壁板蒙皮较薄 可视为薄板 其受轴向压力临界失稳应力小于长桁的临界失稳应力 2 承力蒙皮与长桁铆接组合式壁板蒙皮较厚 临界失稳应力与长桁接近 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 壁板 加筋板 3 整体壁板整块材料加工而成 重量轻 强度高 优点 结构的总体和局部刚度好 蒙皮不易失稳 机翼表面光滑 提高了气动外形准确度 减少了装配量 钉孔应力集中及对壁板截面积的消弱 缺点 装配中可能引起拉伸等原因产生的残余应力 易引起应力腐蚀 设计不当时对裂纹扩展较敏感 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 2长桁 参与机翼的总体受力 承受机翼弯矩引起的部分轴向力 支持蒙皮 提高蒙皮的失稳临界应力 占机翼结构重量的25 40 单块式机翼 承受轴力的主要元件 或4 8 薄蒙皮梁式机翼 桁条不受轴力 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 3翼肋 1 普通肋 占机翼重量的8 12 维持翼剖面形状承受气动载荷支持蒙皮和桁条和腹板 提高它们稳定性 2 加强肋 普通肋的功用机翼结构的局部加强件 承受 传递集中载荷 机翼同其它部件连接的固定接头处 作为开口处加强件 悬挂部件处 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 3 翼肋上的部分特征孔 减轻重量 通常翼肋腹板强度有富余 孔还可通过操纵系统的拉杆 电缆 各种管子等 孔边带有弯边 为了提高翼肋稳定性和刚度 有些腹板上压有凹槽 作用相当于弱支柱 增加腹板稳定性和侧向刚度 分段 为了便于同翼梁腹板连接 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 3 翼肋的构造型式腹板式 构架式 围框式 整体肋 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 4翼梁1 腹板式翼梁腹板 缘条单纯受力构件 剪力 弯矩 腹板式翼梁 典型剖面 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 2 整体式翼梁高强度合金钢 锻造后加工 刚度大加工成型困难腹板较厚 3 桁架式翼梁上下缘条 直支柱 斜支柱 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 5纵墙缘条弱或无 不宜承弯 功用同梁的腹板类似 承剪 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 6机翼 机身接头接头形式视机翼结构的受力型式而定 叉式接头 翼面结构典型构件及受力特点 一 翼面结构的典型构件 机翼主要构件及其承力情况 翼面结构典型构件及受力特点 二 典型构件的受力特性 结构型式 结构中起主要作用的受力构件的组成形式飞机结构及其典型构件大多为薄壁结构 由最基本的板 杆元件连接组合而成 结构受力型式的设计原则 根据构件的最佳受力特性进行恰当组合 使它们各自分担最符合自身受力特性的载荷 使设计的结构重量轻 刚度大 翼面结构典型构件及受力特点 二 典型构件的受力特性 如图 一两端简支的高强铝合金圆杆AB 已知杆剖面面积F 40mm2 l 80mm E 72000MPa b 420MPa 仅在P力作用下 该杆可以承受P F b 16800N 若在杆中点处仅作用一横向力Q 该杆仅能承受Q 750N 翼面结构典型构件及受力特点 二 典型构件的受力特性 1杆 只能承受 或传递 沿杆轴向的分布力或集中力 宜受拉 受压易失稳 如 机翼中的长桁 翼梁缘条 翼面结构典型构件及受力特点 二 典型构件的受力特性 2板 薄板 宜受面内分布载荷 宜受拉 受剪切 受压易失稳 不宜受集中力 须附加构件 将集中力扩散成分布剪流 如 墙 翼梁和翼肋的腹板 厚板 能受分布载荷和一定程度的集中力 可受剪 拉 压 翼面结构典型构件及受力特点 二 典型构件的受力特性 3平面板杆结构 由位于同一平面的板 杆组成 适宜受作用在该平面内的载荷 薄板 板 杆之间只相互传递剪流 杆 轴向力板 只受剪 近似认为 如 长桁加强的蒙皮壁板结构 翼面结构典型构件及受力特点 二 典型构件的受力特性 3平面板杆结构 厚板是可以承受正应力的 此时 虽然板能直接受拉 但并不把此力以横向载荷形式传给杆 为计算方便 往往把板的抗拉能力折算到杆上去 结构仍然简化成受剪板和受轴力杆 翼面结构典型构件及受力特点 二 典型构件的受力特性 4平面梁 薄壁结构组合梁整体翼梁 腹板式翼梁 翼面结构典型构件及受力特点 二 典型构件的受力特性 5空间薄壁结构与厚壁筒 平面板杆结构在空间上的组合 翼面结构都可简化为薄壁盒式梁结构 盒式梁可分为单闭室 多闭室 静不定结构 a 单闭室盒式梁 b 多闭室盒式梁 c 周缘封闭的薄壁梁 翼面典型结构型式及传力分析 一 翼面结构的典型受力型式 薄蒙皮梁式特点 蒙皮薄 纵向翼梁很强 纵向长桁少 弱 梁缘条剖面远大于桁条 通常分为左 右翼 通过梁 墙根部接头与机身相连 梁通常位于翼剖面高度最大处 通常还有1 2根纵墙 早期低速 现代农用飞机 缺点 生存力差 不适于作整体油箱优点 连接简单 检查维护方便 适于大开口 翼面典型结构型式及传力分析 一 翼面结构的典型受力型式 弯矩 翼梁缘条 翼面典型结构型式及传力分析 一 翼面结构的典型受力型式 剪力 翼梁腹板 翼面典型结构型式及传力分析 一 翼面结构的典型受力型式 扭矩 闭室 蒙皮 梁或墙腹板 翼面典型结构型式及传力分析 一 翼面结构的典型受力型式 2 多梁单块式特点 蒙皮较厚 与长桁 翼梁缘条组成可受轴力的壁板承受总体弯矩 弱梁 强桁 桁条剖面接近梁缘条 桁条布置较密 梁或墙与壁板形成封闭盒段 抗扭 通常整体机翼 贯穿机身 可在翼展向设计有分离面 接头多 结构受力较分散 翼型较薄 翼面典型结构型式及传力分析 一 翼面结构的典型受力型式 缺点 连接复杂 装配较难 检查维护不方便 不适于大开口 优点 生存力较好 适于作整体油箱 材料利用率较高 可较轻 大型高亚音速运输机超音速战斗机 2 多梁单块式 翼面典型结构型式及传力分析 一 翼面结构的典型受力型式 弯矩 壁板 蒙皮 桁条 缘条 剪力 梁或墙腹板扭矩 闭室 壁板 梁或墙腹板 2 多梁单块式 翼面典型结构型式及传力分析 一 翼面结构的典型受力型式 3 多墙 梁 厚蒙皮式特点 多墙 一般多于5个 蒙皮厚 可从几mm至十几mm 无长桁 有少肋和多肋两种 结合集中力的需要 至少每侧机翼上要布置3 5个加强翼肋 整体机翼 贯穿机身 或左右两机翼 结构受力分散 翼型较薄 缺点 加工较难 成本高 检查维护不方便 优点 强度刚度大 材料利用率高 较大M数超音速战斗机 翼面典型结构型式及传力分析 一 翼面结构的典型受力型式 4 混合式充分利用各种受力型式的优点 单块式过渡到梁式 多樯过渡成梁式 如图 F104 13根墙过渡到5根梁 较大M数超音速战斗机 翼面典型结构型式及传力分析 二 翼面结构传力分析 作用在机翼上的气动载荷的传递1 蒙皮的初始受载蒙皮将气动载荷分别传给长桁和翼肋 蒙皮支持在桁条和翼肋上 以压力和吸力形式直接承受气动载荷 此时 蒙皮受拉伸 如果是厚蒙皮 则也受横向弯曲 翼面典型结构型式及传力分析 二 翼面结构传力分析 作用在机翼上的气动载荷的传递2 长桁的初始受载长桁把自身承担的气动载荷传给翼肋 翼面典型结构型式及传力分析 二 翼面结构传力分析 作用在机翼上的气动载荷的传递3 翼肋的受载翼肋把自身及收集到的气动载荷传递给蒙皮壁板 翼梁 墙 腹板组成的翼盒 a Q 产生的剪力由梁的腹板传递 翼面典型结构型式及传力分析 二 翼面结构传力分析 作用在机翼上的气动载荷的传递3 翼肋的受载b Q 产生的弯曲内力 翼面典型结构型式及传力分析 二 翼面结构传力分析 作用在机翼上的气动载荷的传递3 翼肋的受载c Mt的传递蒙皮与梁腹板组成闭室 平衡剪流 翼面典型结构型式及传力分析 二 翼面结构传力分析 作用在机翼上的气动载荷的传递4 翼梁的受载翼梁将翼肋传来的剪力与轴力传入 基础 翼梁的平衡及其内力图 翼面典型结构型式及传力分析 二 翼面结构传力分析 机翼上集中力的传递必须在力的作用点处布置相应的构件扩散集中力 传递展向集中力时 可以布置辅助梁等纵向构件 传递翼肋平面内的集中力时 可布置加强肋 与普通肋相比 载荷传递过程相同 只是在集中力作用处 有力 力矩的突变 对机翼总体弯矩有影响 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 1 后掠机翼的结构特点和受力特点 有效改善跨音速飞行的气动问题 1 刚度特点 展长 顺气流剖面弦长相同的前提下 则机翼面积 展弦比等参数相同 与直机翼相比 若达到同样刚度 机翼结构重量增大 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 1 后掠机翼的结构特点和受力特点 2 变形特点和副翼反效 a 刚心线后掠 附加扭转变形b 副翼反效 刚心 翼剖面上使结构不产生扭转变形的外力作用点 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 副翼 舵面反效 本想偏转副翼 舵面增加升力 但升力却减小 本想偏转副翼 舵面减小升力 但升力却增加 副翼偏转产生的升力 下偏 角 Ya 由此产生的负升力 Ya Ma 扭转力矩 低头 Yk 若 Ya Yk 则副翼反效 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 1 后掠机翼的结构特点和受力特点 2 变形特点和副翼反效 c 根部载荷增大 主要是扭矩 翼面压力中心较直机翼明显后移 上述三点均随后掠角的增大而更趋严重 其受力特点决定了后掠机翼较适宜于采用单块或多墙式 考虑到开口等因素 可采用混合式结构 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 1 后掠机翼的结构特点和受力特点 3 后掠效应现象 由于根部三角区的存在 导致弯矩M引起的正应力向后缘集中 即越靠近后缘 正应力越大的情况 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 1 后掠机翼的结构特点和受力特点 3 后掠效应原因 前部纵向构件长 桁 梁缘条 轴向拉压刚度小 承担的轴力按照刚度大小分配 承担的载荷小 应力较低 机翼外段刚性假设下 后掠角越大 后掠效应越严重 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 1 后掠机翼的结构特点和受力特点 3 后掠效应为一组自身平衡的应力 次应力 a b 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 2 后掠机翼的结构型式按机翼根部结构的受力型式 可分为两大类 1 机翼纵向受力构件转折的后掠翼有梁式 单块式 多墙式等 布置能传递弯矩的受力构件 1 2侧边肋 a 单梁式 b 双梁式 c 多梁式 d 对称面有加强肋的后掠翼 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 2 后掠机翼的结构型式 1 机翼纵向受力构件转折的后掠翼 单梁式后掠翼 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 2 后掠机翼的结构型式 2 主要纵向受力构件不转折的后掠机翼如带内撑梁的后掠翼布置能传递弯矩的内撑梁2 4 后掠机翼与三角机翼 一 后掠机翼 2 后掠机翼的结构型式 2 主要纵向受力构件不转折的后掠机翼 双梁式后掠翼 带内撑梁 后掠机翼与三角机翼 二 三角机翼 1 三角机翼的特点后掠角大 55 75 根梢比大 可达十几 展弦比小 1 5 2 5 受力特点 机翼大部分面积靠近根部 压心内移 更靠近翼根 气动力作用点距翼根的力臂减小 翼根弯矩减小 压心相对于根部剖面刚心的力臂减小 翼根扭矩减小 刚度特点 根弦长 若相对厚度一样 翼根高度可更大 翼根的弯曲 扭转刚度更大 后掠机翼与三角机翼 二 三角机翼 1 三角机翼的特点 缺点 1 翼肋长 易产生横向弯曲2 中单翼时 同机身的连接点较多3 翼尖薄 机翼前后缘薄 且局部气动载荷较大 三角翼翼肋的变形 后掠机翼与三角机翼 二 三角机翼 2 三角机翼结构型式对应于上述三个缺点 可采用型式 缺点1 多梁 腹板式结构 可支持长翼肋 缺点2 根部多梁式 集中接头同机身连接 缺点3 局部采用多梁单块式结构或采用蜂窝结构 整体壁板结构 因此 多梁 腹板式结构居多 后掠机翼与三角机翼 二 三角机翼 2 三角机翼结构型式多梁 腹板式结构 1 正交梁2 汇交梁3 混合式 后掠机翼与三角机翼 二 三角机翼 2 三角机翼结构型式多梁 腹板式结构 协和号 飞机结构 后掠机翼与三角机翼 二 三角机翼 2 三角机翼结构型式多梁 腹板式结构 法国 阵风 战斗机结构 飞机的气动弹性 一 结构刚度和气动弹性 飞机结构的刚度要求与设计1 结构的刚度要求 在使用载荷条件下 飞机结构的刚度可用许可变形程度表示 结构i处变形位移 结构在i处容许位移 在某些情况下 如为防止机翼颤振 对结构刚度分布及翼剖面刚心位置提出一定要求 飞机的气动弹性 一 结构刚度和气动弹性 飞机结构的刚度要求与设计2 刚度要求的提供根据 保证飞机各部件的设计预期的气动性能 要求翼面结构 机身等具有足够的总体刚度 在某些情况下 如为防止机翼颤振 对结构刚度分布及翼剖面刚心位置提出一定要求 振动问题 如操纵系统出现共振等 某些附件或操纵面的支撑结构或其本身应具备一定刚度 防止卡滞 刚度并非任何情况都愈大愈好 飞机的气动弹性 一 结构刚度和气动弹性 2 气动弹性问题飞机结构中的翼面部件由于结构刚度不足或刚度分配不合理而导致气动力与结构变形相互耦合作用 从而产生复杂效应 甚至导致结构破坏的一类问题 飞机的气动弹性 一 结构刚度和气动弹性 3 气动弹性现象分类1 静气动弹性现象气动力和结构弹性力相互作用 如机翼扭转扩大 副翼反效等现象 结构弹性影响了气动力的重新分布 并影响静稳定性 惯性力的作用次要 2 动气动弹性现象气动力和结构弹性力 结构质量力 振动加速度 相互作用 如颤振 抖振等现象 飞机的气动弹性 二 静气动弹性现象 1 机翼的扭转扩大1 现象 机翼的扭转变形与空气动力交互作用 导致机翼扭转变形发散 由小到大单调增加 最后导致结构破坏 2 原理 假设机翼迎角 飞机稳定平飞 突然遭遇一扰动上升气流 垂直向上的瞬间气流 扰动时 扰动u Y 附加升力 Y作用于压心 非刚心 机翼附加扭转变形 扰动引起气动力变化 飞机的气动弹性 1 机翼的扭转扩大2 原理 扰动消失后 Y Ma 气动扭转力矩 抬头 Mk 弹性恢复扭转力矩 低头 Ma V2 Mk同V无关 故存在一临界速度 若Ma Mk 则扭转扩大 二 静气动弹性现象 飞机的气动弹性 1 机翼的扭转扩大3 前 后掠机翼的情况 a后掠机翼产生附加负迎角b前掠机翼产生附加正迎角 二 静气动弹性现象 飞机的气动弹性 二 静气动弹性现象 1 机翼的扭转扩大4 几点结论 超音速飞行一般不会出现扭转扩大 因压心显著后移 后掠机翼有利于防止扭转扩大 一般只需考虑防止副翼反效 前掠机翼与后掠机翼相反 不需考虑副翼反效 需考虑扭转扩大 大展弦比直机翼两者均需考虑 5 防范措施将刚心前移 提高机翼的刚度 飞机的气动弹性 二 静气动弹性现象 2 副翼反效1 原理 副翼偏转产生的升力 下偏 角 Ya 由此产生的负升力 Ya Ma 扭转力矩 低头 Yk 若 Ya Yk 则副翼反效 近似认为操纵力与飞行速度无关 而 Yk V2 因而也存在一副翼反效的临界速度 飞机的气动弹性 二 静气动弹性现象 2 副翼反效2 特点及防范措施副翼反效在大展弦比后掠机翼上较严重 原因 展弦比大对刚度不利 后掠翼弯曲引起顺气流翼剖面的附加扭角 产生不利于操纵的附加气动力 措施 高速时改用内副翼或扰流片 增加机翼扭转 弯曲刚度 三角翼翼尖部分翼剖面很小 需特别注意其扭转刚度 措施 翼尖处截头 副翼不一直伸到翼尖 而是内移一点 左 不利右 有利 飞机的气动弹性 三 动气动弹性现象 1 颤振1 现象飞行速度达到一定值 颤振临界速度 飞机部件在气动力 弹性力和惯性力交互作用下发生的自激 不衰减的振动 当速度超过颤振临界速度 振动将发散 并导致结构快速出现损伤或破坏 最常见的动气动弹性现象 2 分类机翼弯扭颤振 机翼的弯曲变形与扭转变形交感而产生的振动发散 副翼弯曲颤振 副翼的偏转与机翼的弯曲变形交感而产生的振动发散 机翼弯扭颤振变形 飞机的气动弹性 三 动气动弹性现象 1 颤振3 机翼弯扭颤振假设初始扰动朝下 机翼下弯扰动消失后 自由振动 弹性力 惯性力 阻尼力 弯曲振动引起附加气动力机翼向上弯曲 相对速度的气流作用在机翼上 导致功角变化 单位展长上附加气动力大小 飞机的气动弹性 三 动气动弹性现象 1 颤振3 机翼弯扭颤振弯曲振动引起附加气动力弯曲振动产生附加气动力同弯曲振动方向相反 故为阻振力 扭转振动引起附加气动力弯曲振动 P弹 加速度a 惯性力 扭转角 扭转振动 Y扭 飞机的气动弹性 三 动气动弹性现象 1 颤振3 机翼弯扭颤振扭转振动引起附加气动力单位展长上的附加气动力 附加气动力同弯曲振动方向相同 为激振力 且与速度的二次方成正比 前述因弯曲振动引起的附加力与速度一次方成正比 故存在颤振临界速度 振动能量与飞行速度关系 飞机的气动弹性 三 动气动弹性现象 1 颤振3 机翼弯扭颤振防范措施 增大抗扭刚度 增大抗弯刚度 重心前移靠近刚心 可加适当配重 人工阻尼器 颤振主动控制技术 飞机的气动弹性 三 动气动弹性现象 1 颤振4 副翼弯曲颤振 只考虑副翼绕转轴偏转的自由度 略去副翼本身的结构变形 机翼只考虑弯曲变形 略去扭转变形 副翼偏转引起的附加气动力 机翼弯曲振动 P弹 加速度a 副翼惯性力 副翼偏转角 Y 激振力 机翼弯曲引起的附加气动力 同机翼弯扭颤振 是阻尼力 飞机的气动弹性 三 动气动弹性现象 2 抖振1 现象由于飞机气动外形不光滑 引起气流分离 空气动力急速变化而出现的结构元件的被迫振动 2 危害轻度抖振不妨碍飞机正常使用 中度抖振造成操纵困难 乘员舒适性变化 结构寿命大大降低 严重抖振使飞机无法操纵并导致结构很快破坏 3 防范改善气动性能 提高机翼 尾翼 机身强度 限制飞行状态 本章思考题 什么是强度 刚度和稳定性 机翼的功用 外载什么是机翼的刚心 压心和质心 亚音速飞行时的相对位置 翼面结构的典型构件有哪些 有什么功用 承力特点 翼面结构的典型受力型式有哪些 解释 副翼反效 的原理 什么是 后掠效应 区别 纵向构件在机身侧边转折 和 梁架式 后掠翼后掠机翼 三角翼的特点 为什么高速飞行时锁定外副翼 只操纵内副翼 什么是气动弹性 静 动气动弹性现象分别包括哪些 什么是机翼的扭转扩大 并对产生原因简要说明